Mécanismes d'ablation en régime nanoseconde

Cette discussion portera sur le phénomène global d'ablation lors du traitement laser appliqué sur les échantillons oxydés d'études. Parmi la gamme de paramètres laser étudiés dans le Chapitre 3, l'identication des mécanismes s'est concentrée sur le traitement optimal de décontamination, soit une uence laser F0 = 12,4 J/cm² et un recouvrement de 80% pour des échantillons avec une couche d'oxyde submicrométrique de type OxA. Pour rappel, les caractéristiques de cet échantillon sont données dans le Tableau 2.4 (page 77).

Les résultats expérimentaux et de modélisation ont permis d'identier la vaporisa-tion comme un des mécanismes responsables de la perte de matière. L'observavaporisa-tion des cratères d'ablation après une impulsion laser par microscopie optique et interféromé-trique (Figure 3.12) indique la formation d'un anneau de matière autour de la zone ablatée. La modélisation du phénomène a en eet montré qu'au cours de l'impulsion laser, la pression de vapeur formée au dessus de la surface entraine la mise en mouve-ment de la matière liquide vers l'extérieur de la pièce par eet piston. Cette matière liquide va alors se ger lors de la rétractation du front de solidication. De plus, la morphologie des particules recueillies sur le ltre pendant le traitement (Figure 3.11) est caractéristique d'agrégats formés par condensation à partir de vapeur saturante.

La fusion suivie de la vaporisation de la surface sont des phénomènes connus dans la littérature pour le cas des impulsions laser nanoseconde [38,59,138]. D'autres méca-nismes d'expulsion peuvent cependant intervenir comme l'explosion de phase, l'éjection de gouttes liquides (hydrosputtering) ou encore les eets thermo-mécaniques.

Figure 5.1  Évolution de la température dans l'axe du faisceau laser à la surface de la couche d'oxyde T (0,0,t) et à l'interface avec le métal T (0,zox,t) pour F0 = 12,4 J/cm2

Figure 5.2  Observations par MEB (BSE, 15 kV , 2 nA, Mg = ×600) et détail d'un impact laser sur un échantillon oxydé de type OxA

Dans le cas d'une impulsion laser, l'évolution de la température en surface et à l'interface entre l'oxyde et le métal sont présentées dans la Figure 5.1 et indique que les deux surfaces atteignent leur température de vaporisation au cours de l'impulsion. Cependant, le temps de diusion de la chaleur dans la couche d'oxyde et les diérences de propriétés entre les deux matériaux entraîne un délai entre les maxima de tem-pératures d'environ 50 ns. La vaporisation de la couche d'oxyde est alors simultanée voire antérieure à la fusion et la vaporisation du métal sous-jacent. Dans le cas où la température de vaporisation du métal serait plus faible que celle de la couche d'oxyde, un phénomène d'ébullition aurait lieu.

L'éjection de l'oxyde liquide n'est pas accrue par la vaporisation du métal et l'ex-pulsion de gouttes liquides ne semble pas possible dans nos conditions expérimentales. Par ailleurs, comme exposé précédemment dans le Chapitre 3 Section 3.2, la durée d'impulsion est trop importante et la uence laser trop faible pour impliquer des in-stabilités thermodynamiques dans la phase d'oxyde liquide [118]. Enn, les diérences de propriétés entre la couche d'oxyde et le métal sous-jacent pouvant entraîner des contraintes mécaniques, et des ssures ayant été observées autour des cratères d'abla-tion (Figure 5.2), l'éjecd'abla-tion de la matière par eet thermo-mécanique est à considérer. Pour mettre en évidence l'importance de la vaporisation dans l'ablation de la ma-tière, la masse vaporisée déterminée expérimentalement a été comparée à la masse calculée par modélisation pour des conditions de traitement identiques. A partir du modèle d'ablation de couche d'oxyde par mono impulsion, le débit d'oxyde vaporisé

˙

m^ox a été calculé à une uence de 12,4 J/cm2, sur la surface de la couche d'oxyde pour toute la durée de la vaporisation de la couche, soit de 10 à 700 ns (Figure 5.1). Une fois ce débit intégré dans le temps et sur la surface de l'impact laser, la masse d'oxyde vaporisée pour une impulsion laser obtenue est de 0,07 µg. Expérimentale-ment, le recouvrement spatial entre deux impacts est de 80% et toute l'épaisseur de l'oxyde est ablaté après le premier impact. Lors d'un impact laser, on peut donc estimer que 80% de la surface est constituée du métal brut et 20% de l'oxyde. En cohérence avec le traitement laser, la masse totale vaporisée est donc déterminée par

pondéra-tion entre la masse de métal et d'oxyde. Pour cela, la masse totale vaporisée dans le cas d'un substrat brut est calculée pour un impact laser. Pour une surface traitée de 30 × 30 mm² et un taux de recouvrement spatial de 80%, le nombre d'impulsions sur la surface de l'échantillon est de 1,44 × 106. La masse vaporisée totale lors du traitement de décontamination est ainsi estimée à 32.3 mg.

Expérimentalement, la masse collectée sur le ltre et déterminée par analyse ICP-OES est de 2,3 ± 0,1 mg. Dans nos conditions d'analyses, l'oxygène ne peut pas être dosé et sa contribution n'est donc pas pris en compte. La part de l'oxygène dans la masse de l'oxyde est 30 à 27% selon la nature de l'oxyde considéré Fe2O₃ ou Fe3O₄ res-pectivement. La masse totale de matière vaporisée dans les conditions expérimentales d'études peut donc être estimée à 3,3 mg. La masse simulée est surestimée par rapport au résultat expérimental d'un facteur 10. Étant liée à la température de surface, cette surestimation peut être expliquée par le fait que la simulation prédit une température très importante au centre de l'impact laser, allant jusqu'à 18000 K (Figure 5.1). Un ajustement paramétrique est donc nécessaire pour prédire de façon plus juste la masse ablatée expérimentalement par eet de vaporisation. Malgré cet écart, cette première estimation nous indique que la vaporisation explique l'ablation de l'échantillon.

Dans cette étude, l'ablation de la surface a comme objectif l'expulsion de la conta-mination présente dans la couche d'oxyde et également dans le substrat métallique. La comparaison de prols élémentaires par GD-MS d'échantillons avant et après dé-contamination a été eectuée et présentée dans le Chapitre 3, Section 3.3 (page 96). Plus particulièrement, l'analyse de la distribution en profondeur de la contamination en europium après traitement laser à 9,9 J/cm2 et 80% de recouvrement (Figure 5.3) a montré que l'irradiation entraîne l'ablation de la contamination surfacique. La distri-bution en europium est "décalée" vers la surface par rapport à la distridistri-bution initiale. La dimension de ce "décalage", présenté dans la Figure 5.3 est déterminée à par-tir du maximum de la contamination volumique pour chacun des échantillons et est d'environ 0,40 µm. Ce résultat est proche de l'épaisseur ablatée pour ce traitement de décontamination, estimée par ICP-OES à 0,26 µm. Enn, comme exposé dans le Chapitre 3, la concentration maximale de la contamination volumique a également di-minuée. Or cette modication ne peut pas uniquement être le fait de l'éjection de la surface car les dimensions ablatées ne sont pas susamment importantes pour atteindre une profondeur de l'ordre de 2 µm.

Au delà de l'ablation, la décontamination de l'europium présent dans l'échantillon doit donc provoquée par un autre mécanisme. La diusion et le transport de la conta-mination pendant le traitement laser seront donc discutés par la suite.

Figure 5.3  Prol élémentaire en profondeur d'échantillon par GD-MS avant et après décontamination pour diérentes uences laser F0 et à un taux de recouvrement R = 80%

5.3 Évolution de la contamination pendant le